基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：本文應(yīng)用AT89S51單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、字符型LED和鍵盤陣列，構(gòu)建了集步進(jìn)電機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)器為一體的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)速度控制并且顯示數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠，通過人機(jī)交互換接口可實(shí)現(xiàn)各功能設(shè)置，操作簡(jiǎn)單，易于掌握。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)采用了軟硬件協(xié)同仿真的方法，可以有效地減少系統(tǒng)開發(fā)的周期和成本。該系統(tǒng)可應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)在機(jī)電一體化控制等大多數(shù)場(chǎng)合。最后給出了步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例。 關(guān)鍵詞: AT89S51；LED；步進(jìn)電機(jī)；軟硬件協(xié)同仿真 Design of Ste

2、pper Motor Based on SCMAbstract：In this paper, microcontroller, stepper motor driver chips, character LED and keypad array, build a set of stepper motor controller and driver as one of the stepping motor control system. Implementation of step motor and reversing speed control and display the data.Th

3、e whole system uses modular design, simple structure reliable, through man-machine exchange interface can be set up to realize each function, simple operation, easy to master. Stepper motor control system has been developed using the software and hardware co-simulation method, can effectively reduce

4、 the system development cycle and cost. The system can be applied to the stepping motor in electromechanical integration control and so on most occasions. Finally, an application example is given of stepper motor control system.Key words:AT89S51; LED; Stepping Motor; software and hardware

5、co-simulation引言隨著數(shù)字化技術(shù)發(fā)展，數(shù)字控制技術(shù)得到了廣泛而深入的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是一種把電脈沖信號(hào)變成直線位移或角位移的控制電機(jī)，其位移速度與脈沖頻率成正比，位移量與脈沖數(shù)成正比。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)或階躍電動(dòng)機(jī)，國(guó)外一般稱為Steppingmotor、 Pulse motor或Stepper servo，其應(yīng)用發(fā)展已有約80年的歷史。因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)組成的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，性能上能滿足工業(yè)控制的基本要求，所以廣泛地應(yīng)用于手工業(yè)自動(dòng)控制、數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、照相機(jī),投影儀、數(shù)碼攝像機(jī)、大型望遠(yuǎn)鏡、衛(wèi)星天線定位系統(tǒng)、醫(yī)療器件以及各種可控機(jī)械工具等

6、等。步進(jìn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，可以對(duì)旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行高精度控制1。當(dāng)電流流過定子繞組的時(shí)候，定子繞組產(chǎn)生一個(gè)矢量磁場(chǎng)，該矢量場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一定角度，使轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁極磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向向著該磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。因此，控制電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實(shí)際上就是根據(jù)一定的規(guī)律來控制定子繞組電流來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。每來一個(gè)脈沖電壓轉(zhuǎn)子就會(huì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，稱為一步。根據(jù)電壓脈沖分配方式，步進(jìn)電機(jī)各相繞組的電流會(huì)輪流切換，在供給連續(xù)脈沖的時(shí)候就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一周的步數(shù)相同，在不丟步的情況下運(yùn)行，其步距誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決

7、于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差，精度高，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速、快速起停、正反轉(zhuǎn)控制等，這是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn)2。正是因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)具有突出的優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛的用于各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用3。比如在數(shù)控系統(tǒng)中就得到了廣泛的應(yīng)用。目前，世界上所有的國(guó)家都在發(fā)展數(shù)控技術(shù)，我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)也取得了很大的發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)能夠開發(fā)各種等級(jí)的數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)。近些年來因?yàn)槲⑿陀?jì)算機(jī)方面快速發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的控制也發(fā)生了革命性變革。有明顯優(yōu)點(diǎn)

8、的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)被廣泛的用于電子計(jì)算機(jī)的很多外圍設(shè)備中，比如打印機(jī)，紙帶輸送的機(jī)構(gòu)，卡片閱讀機(jī)器，主動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及存儲(chǔ)器的存取機(jī)構(gòu)等，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也在軍用的儀器，通信以及雷達(dá)設(shè)備，攝影系統(tǒng)，光電的組合裝置，閥門控制，數(shù)控機(jī)床，電子鐘，醫(yī)療衛(wèi)生設(shè)備和自動(dòng)繪圖裝置，數(shù)字控制裝置，程序的控制系統(tǒng)以及很多航天工業(yè)系統(tǒng)中得到應(yīng)用4。因而，對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的研究也就顯得非常重要了。1 步進(jìn)電機(jī)概述 1.1 步進(jìn)電機(jī)的概述在電氣時(shí)代的今天，電動(dòng)機(jī)一直在現(xiàn)代的生產(chǎn)和生活起著十分重要的作用5。 跟據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)目前90以上的動(dòng)力來源是電動(dòng)機(jī)。我們國(guó)家生產(chǎn)的電能大約60用在了電動(dòng)機(jī)上。電動(dòng)機(jī)在我們生活中占有重要地

9、位，步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化中一種關(guān)鍵的產(chǎn)品，是專門用于位置和速度精確控制的特種電動(dòng)機(jī)。其最大的特點(diǎn)就是“數(shù)字性” ，它在控制器的推動(dòng)下運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)角度，這個(gè)角度被稱為一步或步矩角，很適合微機(jī)和單片機(jī)的控制。伴隨著微電子和計(jì)算機(jī)的技術(shù)發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用。鑒此，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移，用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制的特殊運(yùn)行方式的同步電動(dòng)機(jī)，它通過專用電源把電脈沖按一定順序供給定子各項(xiàng)控制繞組，在氣隙中產(chǎn)生類似于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的脈沖磁場(chǎng)。每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，電動(dòng)機(jī)就移動(dòng)一步。它把電脈沖信號(hào)變換成角位移或直線

10、位移，其角位移量或直線位移量S與電脈沖數(shù)K成正比，其轉(zhuǎn)速n或線速度v與脈沖頻率f成正比。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍大，動(dòng)態(tài)性能好，能快速起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)。當(dāng)用微電腦進(jìn)行數(shù)字控制時(shí)，它不需要進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，能直接把數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是根據(jù)組合電磁鐵的理論設(shè)計(jì)的，力求定子各相繞組間沒有互感，定、轉(zhuǎn)子都采用凸極結(jié)構(gòu)，而不考慮空間磁場(chǎng)諧波的有害影響，只盡一切可能去增加定位轉(zhuǎn)矩的幅值和定位精度，把轉(zhuǎn)速控制和調(diào)節(jié)放在次要地位，故步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要用于計(jì)算機(jī)的磁盤驅(qū)動(dòng)器、繪圖儀、自動(dòng)記錄儀以及調(diào)速性能和定位要求不是非常精確的簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床等的位置控制。目前，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率做得越來越大，已生產(chǎn)出功率

11、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，它可以不通過傳動(dòng)齒輪等力矩放大裝置，直接由功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來帶動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)，從而簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)精度。1.2 步進(jìn)電機(jī)的分類步進(jìn)電機(jī)的種類很多，從廣義上來講，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的類型可以分成機(jī)械式、電磁式和組合式三種類型。按照結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)電磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以分成反應(yīng)式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三種類型；按照相數(shù)分則可以分為單相、兩相和多相三種。目前使用最為廣泛的為反應(yīng)式和混合式步進(jìn)電機(jī)6。(1)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(Variable Reluctance，簡(jiǎn)稱VR)。反應(yīng)式的步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是的原材料是軟磁材料，其中是沒有繞組的。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，步距角也很小，但是它的動(dòng)態(tài)性能是比較

12、差的。反應(yīng)式的步進(jìn)電機(jī)分為單段式的和多段式的兩種類型。 (2)永磁式步進(jìn)動(dòng)電機(jī)(Permanent Magnet，簡(jiǎn)稱PM)。永磁式的步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的材料是永磁材料，這個(gè)轉(zhuǎn)子它自身是一個(gè)磁源，并且它的極數(shù)與定子是一樣的，因此一般的步距角是較大的。它的輸出轉(zhuǎn)矩較大、動(dòng)態(tài)性能很好、消耗功率相對(duì)較小，但是啟動(dòng)運(yùn)行的頻率較低，還是要正負(fù)脈沖供電。(3)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(Hybrid，簡(jiǎn)稱HB)。混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩種電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。它與傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加上了永磁體，用來提供軟磁材料的工作點(diǎn)，定子激磁只需要提供變化的磁場(chǎng)不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，所以該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱

13、低。1.3 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上步進(jìn)電機(jī)是的組成部分是定子和轉(zhuǎn)子，可以用于旋轉(zhuǎn)角以及轉(zhuǎn)速的高精度的控制。當(dāng)電流經(jīng)過定子的繞組時(shí)，定子繞組所產(chǎn)生的矢量場(chǎng)將帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)子和定子磁極磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)一定角度。所以，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)子實(shí)際上是控制定子繞組電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。每有一個(gè)脈沖電壓，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，稱為一個(gè)步驟。根據(jù)脈沖電壓的分布，各相繞組電流的電機(jī)開關(guān)的步驟，再提供連續(xù)的脈沖，可以一步一步的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，步進(jìn)電機(jī)將電脈沖轉(zhuǎn)化為具體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。每個(gè)由運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的脈沖是精確的，可重復(fù)的，這就是為什么步進(jìn)電機(jī)的定位應(yīng)用程序有效的原因。 1.4

14、步進(jìn)電機(jī)的原理步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。 現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。 永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步

15、進(jìn)角一般為7.5度或15度。 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩7。 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是指混合了永磁式電動(dòng)機(jī)和反應(yīng)式電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。它又可以分為兩相和五相：兩相的步進(jìn)角一般為1.8度而五相的步進(jìn)角一般為0.72度。這種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一些基本參數(shù)： （1）電動(dòng)機(jī)固有步距角 電動(dòng)機(jī)固有步距角表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度8。電動(dòng)機(jī)出廠的時(shí)候就給出了一個(gè)步距角的值，比如86BYG250A型電動(dòng)機(jī)給出的值為0.9°

16、/1.8°（表示半步工作時(shí)是0.9°、整步工作時(shí)是1.8°），該步距角可以稱為“電動(dòng)機(jī)固有步距角”，它不一定是電動(dòng)機(jī)實(shí)際工作的時(shí)候的真正步距角，真正步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。 （2）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相數(shù) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相數(shù)是指電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有二相、三相、四相、五相。電動(dòng)機(jī)相數(shù)不同，它的步距角也不同，一般二相電動(dòng)機(jī)的步距角為0.9°/1.8°、三相步距角的為0.75°/1.5°、五相步距角的為0.36°/0.72° 。在沒有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的情況下，用戶主要是根據(jù)選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來滿足步距角的

17、要求。使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，那么“相數(shù)”就會(huì)沒有意義，用戶只需要在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就能改變步距角。 （3）保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE） 保持轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通電但是沒有轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。保持轉(zhuǎn)矩是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最重要的參數(shù)之一，一般步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)的力矩比較接近保持轉(zhuǎn)矩。因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出力矩隨著速度的增大而在不斷的衰減，輸出功率也隨著速度的增大而變化，這樣保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2N.m的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 1.5 步進(jìn)電機(jī)選用中的注意事項(xiàng)（1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用于低速場(chǎng)合，即每分鐘

18、轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，（0.9度時(shí)6666PPS)，最好是在1000-3000PPS(0.9度）之間使用，可以通過減速裝置使電機(jī)在此間工作，這時(shí)電動(dòng)機(jī)工作效率高較，噪音較低。 （2）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最好不要使用整步狀態(tài)，因?yàn)檎綘顟B(tài)時(shí)的振動(dòng)比較大。 （3）因?yàn)闅v史原因，只有標(biāo)稱為12V電壓的電動(dòng)機(jī)使用12V之外，其他電動(dòng)機(jī)的電壓值不是驅(qū)動(dòng)的電壓伏值，可以根據(jù)驅(qū)動(dòng)器來選擇驅(qū)動(dòng)電壓（建議：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），當(dāng)然12V電壓除12V恒壓驅(qū)動(dòng)之外也可以采用其他的驅(qū)動(dòng)電源，但是需要考慮溫升。 （4）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大的負(fù)載應(yīng)該選擇大機(jī)座號(hào)電動(dòng)

19、機(jī)。 （5）電動(dòng)機(jī)在較高速度或著較大慣量負(fù)載時(shí)，一般不會(huì)在工作速度起動(dòng)，而是用逐漸升頻的提速方式，這樣一使電機(jī)不會(huì)失步，二還能在減少噪音的時(shí)候提高停止的定位的精度度。 （6）高精度的時(shí)候，應(yīng)該用機(jī)械減速的方式來提高電機(jī)的速度,或著用高細(xì)分?jǐn)?shù)驅(qū)動(dòng)器解決，也可以采用五相電動(dòng)機(jī)，不過它的整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格較貴，生產(chǎn)廠家少，它被淘汰的說法是外行話。 （7）電動(dòng)機(jī)不應(yīng)該在振動(dòng)的區(qū)域內(nèi)工作，如果必須在振動(dòng)的區(qū)域內(nèi)工作可以通過改變電壓、電流或加一些阻尼來解決。 （8）電動(dòng)機(jī)在600PPS（0.9度）以下工作，應(yīng)該采用小電流、大電感、低電壓來驅(qū)動(dòng)。 （9）應(yīng)該遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動(dòng)的原則。2 步進(jìn)電機(jī)常見的控制方案

20、與驅(qū)動(dòng)技術(shù)簡(jiǎn)介2.1 常見的步進(jìn)電機(jī)控制方案 2.1.1 基于電子電路的控制步進(jìn)電機(jī)的電脈沖信號(hào)控制，電脈沖信號(hào)的產(chǎn)生、分配，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的電子元件放大。因?yàn)轵?qū)動(dòng)脈沖控制信號(hào)非常微弱，所以必須有一個(gè)功率放大器電路。步進(jìn)電機(jī)和控制電路，功率放大電路是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成。控制電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的一般任務(wù)。該系統(tǒng)由三個(gè)部分組成：脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路，脈沖信號(hào)分配電路，功率放大電路。系統(tǒng)組成如圖2-1所示。脈沖控制器環(huán)形分配器功率放大驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī) 圖 2-1 基于電子電路控制系統(tǒng)這個(gè)方案既可以開環(huán)控制也可以閉環(huán)控制。開環(huán)控制時(shí)，其穩(wěn)定性好，成本低，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但未能實(shí)現(xiàn)高精度細(xì)分

21、。閉環(huán)控制時(shí)，可實(shí)現(xiàn)高精度細(xì)分、無級(jí)調(diào)速。閉環(huán)控制是直接或間接轉(zhuǎn)子位置和速度的檢測(cè)，然后通過反饋和適當(dāng)?shù)奶幚恚詣?dòng)給出脈沖鏈，每一步的步進(jìn)電機(jī)響應(yīng)控制信號(hào)的命令，只要控制策略正確就不可能輕易出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)失步9。該方案通過一些大規(guī)模集成電路控制輸出脈沖的頻率和脈沖數(shù)，功能比較簡(jiǎn)單，如需要改變控制方案，必須要重新設(shè)計(jì)，所以靈活性不高。2.1.2 基于單片機(jī)的控制利用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了軟件和硬件的結(jié)合。用軟件代替環(huán)形分配器，是步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。系統(tǒng)采用單片機(jī)接口線直接控制各相步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。由于單片機(jī)的強(qiáng)大功能，還可設(shè)計(jì)一些外圍電路，鍵盤作為外部中斷源，步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，檔次，停止

22、等的一些功能，通過使用組合的中斷以及查詢調(diào)用中斷服務(wù)程序的方法，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最佳的控制顯示時(shí)間，正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的速度等。環(huán)形分配器，它的功能是通過單片機(jī)的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)脈沖分配軟件編程方法。該方案具有以下的一些優(yōu)點(diǎn)：（1）單片機(jī)的軟件編程能使麻煩的控制的過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和精確的控制，避免失步振蕩，控制精度的影響；（2）用軟件代替環(huán)形分配器，基于單芯片組，使用相同的電路實(shí)現(xiàn)多相步進(jìn)電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)，大大提高了接口電路的靈活性和通用性；（3）單片機(jī)的強(qiáng)大功能使顯示電路、鍵盤電路、復(fù)位電路等外圍電路結(jié)合在一起，大大提高了系統(tǒng)的交互性能10。2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的技術(shù)步進(jìn)電機(jī)的單電壓驅(qū)動(dòng)是通過改變電路時(shí)間常數(shù)來提

23、高電機(jī)的高頻特性。這種驅(qū)動(dòng)技術(shù)在六十年代早期就都得到了廣泛的應(yīng)用，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低的優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是串聯(lián)連接的電阻會(huì)產(chǎn)生大量的能量損失，特別是在高頻率操作時(shí)更嚴(yán)重，所以僅適用于小功率或性能要求不高的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。單電壓串聯(lián)電阻驅(qū)動(dòng)是基于單電壓繞組電路串聯(lián)電阻的電壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)，用于提高常數(shù)的電路，提高了電機(jī)高頻特性的時(shí)間。它也優(yōu)化了步進(jìn)電機(jī)的響應(yīng)頻率，減少電機(jī)的共振，也帶來了巨大的損失，效率低。這個(gè)驅(qū)動(dòng)器現(xiàn)階段主要被應(yīng)用在小功率或著啟動(dòng)操作頻率要求不是很高的場(chǎng)合。步進(jìn)電機(jī)中高低壓驅(qū)動(dòng)指的是不管電機(jī)工作的頻率是多少，導(dǎo)通相前沿的電流上升沿的斜率是通過高壓供電的方式來提高的，之后的繞組電流是用低電壓

24、方式來維持的，就是通過增加繞組電流注入量來增加的出力，而不是不斷改變時(shí)間的常數(shù)來改善電路轉(zhuǎn)矩變頻性能。但使用這種驅(qū)動(dòng)的方式的電動(dòng)機(jī)，它的繞組電流的波形會(huì)在高壓工作結(jié)束和低壓工作開始的銜接處呈現(xiàn)凹形，使電機(jī)的輸出力矩有一定的下降。該驅(qū)動(dòng)器在實(shí)際應(yīng)用中還是比較常見的。3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)在混合式步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)及工作原理的基礎(chǔ)上，本章對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和比較。首先介紹了傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式：?jiǎn)坞妷候?qū)動(dòng)（包括單電壓串聯(lián)電阻驅(qū)動(dòng)），雙電壓驅(qū)動(dòng)（包括高和低電壓驅(qū)動(dòng)）和恒流斬波器的優(yōu)缺點(diǎn)及原理，然后重點(diǎn)介紹了細(xì)分驅(qū)動(dòng)模式和原則。31 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)概述3.1.1 一般驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

25、的組成結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)與直流電機(jī)、交流電機(jī)是不一樣的，它不能直接接到交直流電源上，但必須使用專用設(shè)備步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能和運(yùn)動(dòng)性能，除了本身之外，也在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)劣。因此，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的研究幾乎是對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的研究同步進(jìn)行的。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主要組成如圖3-1所示，一般由環(huán)形分配器，信號(hào)處理階段，驅(qū)動(dòng)階段等，對(duì)功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序也需要各種保護(hù)電路。環(huán)形分配器推動(dòng)級(jí)信號(hào)放大與處理驅(qū)動(dòng)級(jí)保護(hù)圖3-1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成環(huán)形分配器接受來自控制器的CP脈沖，并且要按照步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表要求生產(chǎn)各階段的信號(hào)打開或關(guān)閉。每來一個(gè)CP脈沖，環(huán)形分配器的輸出就轉(zhuǎn)換一次。同時(shí)

26、，環(huán)形分配器也必須要接受控制器的方向信號(hào)，它決定了狀態(tài)轉(zhuǎn)換和輸出是正向或逆向順序轉(zhuǎn)換，決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。因此，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，加速或減速，啟動(dòng)或停止都取決于CP脈沖的有無或頻率的高低。信號(hào)放大與處理的作用就是放大環(huán)分輸出信號(hào)，成為足夠大的信號(hào)被送入相應(yīng)推動(dòng)級(jí)。信號(hào)的處理具有一些變換和合成的功能，能產(chǎn)生斬波，抑制等某些特殊功能信號(hào)，從而可以產(chǎn)生具有特殊的功能的驅(qū)動(dòng)。信號(hào)的處理還要經(jīng)常的與一些保護(hù)電路以及控制電路相組合，形成一些具有相對(duì)性能比較高的驅(qū)動(dòng)的輸出。推動(dòng)級(jí)將小信號(hào)放大，成為強(qiáng)大到能夠推動(dòng)某些驅(qū)動(dòng)級(jí)的大信號(hào)。有時(shí)候，推動(dòng)級(jí)也承擔(dān)電平轉(zhuǎn)換功能。保護(hù)級(jí)的作用就是保護(hù)驅(qū)動(dòng)級(jí)的安全11。一

27、般可以根據(jù)需要設(shè)置過電流保護(hù)，過熱保護(hù)，過壓保護(hù)，欠壓保護(hù)等。3.1.2 驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)為了滿足步進(jìn)電機(jī)輸出的各種需求，驅(qū)動(dòng)級(jí)必須提供足夠電壓和電流的電機(jī)繞組，但步進(jìn)電機(jī)和一般電子設(shè)備的驅(qū)動(dòng)是有很多不同的，這主要表現(xiàn)在：（1）所有繞組都是開關(guān)工作，電機(jī)的繞組絕大部分是連續(xù)的交流或直流，但是步進(jìn)電機(jī)的繞組是脈沖電源使繞組電流不連續(xù)。（2）電機(jī)每相繞組線圈繞在鐵芯上，所以都有較大電感。電流上升率限制繞組通電，因此影響了電機(jī)繞組電流的大小。（3）繞組斷點(diǎn)的時(shí)候，電感儲(chǔ)能維持目前已經(jīng)有的電流不能發(fā)生突變，導(dǎo)致電流截止相不能立即停止。為了使電流盡快截止，必須正確地設(shè)計(jì)續(xù)流回落。繞組的導(dǎo)通和截止具有強(qiáng)大的反

28、電勢(shì)，截止時(shí)，驅(qū)動(dòng)級(jí)器件的安全將受到反電勢(shì)的有害影響。（4）電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)各相繞組中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)，這些電勢(shì)的大小和方向都會(huì)對(duì)繞組電流產(chǎn)生大的影響。由于旋轉(zhuǎn)電勢(shì)與電機(jī)速度基本成正比，速度越高，電勢(shì)越大，繞組的電流越小，使電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而下降。驅(qū)動(dòng)級(jí)線路，既要保證繞組的電流電壓足夠充分和波形的準(zhǔn)確，又要確保功率放大裝置安全運(yùn)行，此外，還應(yīng)確保效率高，功耗低，成本低。這必須設(shè)計(jì)合理路線，合適的功率器件的選型。驅(qū)動(dòng)級(jí)的功率放大器包括功率晶體管、大功率晶體管、大功率達(dá)林頓晶體管、可控硅、可關(guān)斷可控硅、場(chǎng)效應(yīng)功率管、雙極型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)功率管的復(fù)合管和各種電源模塊等。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使用

29、一個(gè)電壓驅(qū)動(dòng)（包括單電壓串聯(lián)電阻驅(qū)動(dòng)），雙電壓驅(qū)動(dòng)（包括高和低電壓驅(qū)動(dòng)），斬波恒流驅(qū)動(dòng)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)等。下面的工作原理是兩種驅(qū)動(dòng)方式的介紹和優(yōu)缺點(diǎn)。將在后面詳細(xì)說明細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式。3.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)分析3.2.1 單電壓驅(qū)動(dòng)單電壓驅(qū)動(dòng)是指在工作過程中電機(jī)繞組，只有一個(gè)方向纏繞電源電壓。示意圖如圖3-2所示，前面推動(dòng)級(jí)輸出信號(hào)In作用于三極管的基級(jí)，一相繞組的集電極連接電機(jī)，另一端繞組直接連接電源電壓。因此，當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí)，電源電壓全部作用在電機(jī)繞組上。綜上所述，單電壓驅(qū)動(dòng)具有以下特點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，成本低，良好的低頻響應(yīng)；共振，高頻率時(shí)，負(fù)載能力迅速下降。 圖3-2 單電壓驅(qū)動(dòng)的原理圖 圖3-3

30、 單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)單電壓驅(qū)動(dòng)的致命弱點(diǎn)是線圈繞組導(dǎo)通的時(shí)候回路電氣時(shí)間常數(shù)較大，導(dǎo)致導(dǎo)通時(shí)電流在繞阻上升速度較慢，導(dǎo)致導(dǎo)通脈沖寬度T接近時(shí)繞組電流迅速下降。因?yàn)?L/R，因此減少電氣時(shí)間常數(shù)方法是減小繞阻電感L或增加繞組回路電阻R。對(duì)已經(jīng)確定了的步進(jìn)電機(jī)，繞阻電感也已經(jīng)確定。因此在電路中只能用增加回路電阻的方法。單電壓串聯(lián)電阻驅(qū)動(dòng)，示意圖如圖3-3所示。單電壓串聯(lián)電阻驅(qū)動(dòng)的主要缺點(diǎn)是效率低、損耗大。與單電壓驅(qū)動(dòng)相比，導(dǎo)電銅損為i2R，串聯(lián)電阻后的導(dǎo)通銅損為i2(R+RS)，所以電源提供大部分消耗在串聯(lián)電阻上。3.2.2 雙電壓驅(qū)動(dòng)雙電壓驅(qū)動(dòng)的基本思想是在低頻段用較低的電壓驅(qū)動(dòng)，在高頻段用較高的

31、電壓驅(qū)動(dòng)，電路如圖3-4所示。電源直接供電，直接接到由大功率管TH和二極管DL組成的電源轉(zhuǎn)換開關(guān)上。當(dāng)關(guān)閉TH時(shí)，低電壓供電，當(dāng)打開TH時(shí)，高電壓供電，DL在反向截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，自動(dòng)停止供電的低電壓電源。 高電壓工作 低電壓工作圖3-4 雙電壓驅(qū)動(dòng)的原理圖高壓驅(qū)動(dòng)電路如圖3-5所示，初一看，似乎與雙電壓之間的差異不大，但實(shí)際工作過程是不同的。如圖所示，是每個(gè)階段的單元電路。主回路由高壓管、電機(jī)繞組、低壓管串聯(lián)而成。高壓管加高電壓，低壓管加低電壓，電機(jī)繞組線圈不能串聯(lián)電阻。每個(gè)階段的傳導(dǎo)過程中，低壓管的輸入信號(hào)和高壓管輸入信號(hào)如圖3-6所示。當(dāng)?shù)蛪汗茌斎胄盘?hào)為高電平，該相導(dǎo)通；當(dāng)?shù)蛪汗茌斎腚娖綖榈碗?/p>

32、平，該相截止。高壓管的輸入信號(hào)是由低壓管輸入信號(hào)的前沿信號(hào)獲得的，高壓管輸入信號(hào)前沿與低壓管輸入信號(hào)同步。但脈沖寬度要小得多，高、低電壓驅(qū)動(dòng)可以確保在很寬的頻帶內(nèi)保證相繞組的平均電流較大，在截止時(shí)可以快速釋放，因此能產(chǎn)生較大的并且較穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠獲得較高的響應(yīng)。圖3-5 高低壓驅(qū)動(dòng)的原理圖圖3-6 高低壓管輸入信號(hào)4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 4.1.1 系統(tǒng)的方案簡(jiǎn)述與設(shè)計(jì)要求本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)AT89S51來作為整個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制核心部件，采用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298及其外圍電路構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分，再加上作為執(zhí)行部件的步進(jìn)電機(jī)來構(gòu)成了一個(gè)基本的步進(jìn)電

33、機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的具體功能和要求如下：（1）單片機(jī)最小系統(tǒng)板的設(shè)計(jì)；（2）設(shè)計(jì)兼有兩相兩拍和兩相四拍的脈沖分配器; （3）實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的啟停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制； （4）驅(qū)動(dòng)電路可提供電壓為12V，電流為0.3A的驅(qū)動(dòng)信號(hào); （5）能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，最低轉(zhuǎn)速為25轉(zhuǎn)/分，最高轉(zhuǎn)速為100轉(zhuǎn)/分； （6）步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由數(shù)碼管顯示； （7）鍵盤掃描電路的設(shè)計(jì)。4.1.2 系統(tǒng)的組成及其對(duì)應(yīng)功能簡(jiǎn)述整個(gè)系統(tǒng)的組成包括單片機(jī)最小系統(tǒng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，串口下載模塊，數(shù)碼管顯示模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)模塊，獨(dú)立按鍵等模塊組成。具體框圖如圖4-1所示：計(jì)算機(jī)獨(dú)立按鍵控制模塊串口通信模塊單片機(jī)最小系統(tǒng)步進(jìn)電

34、機(jī)驅(qū)動(dòng)電流顯示模塊數(shù)碼管顯示模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊圖4-1系統(tǒng)總體框圖單片機(jī)最小系統(tǒng)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，它主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖，通過單片機(jī)的軟件編程代替環(huán)形脈沖分配器輸出控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小與單片機(jī)輸出的脈沖數(shù)成正比，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與輸出的脈沖頻率成正比，而步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的的方向與輸出的脈沖順序有關(guān)。同時(shí)單片機(jī)系統(tǒng)還負(fù)責(zé)處理來自電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)模塊檢測(cè)到的電流值。與此同時(shí)，單片機(jī)將會(huì)把電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，以及電流檢測(cè)模塊檢測(cè)到的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電流通過數(shù)碼管顯示出來。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)將單片機(jī)發(fā)給步進(jìn)電機(jī)的信號(hào)功率放大，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。串口下載模塊主要是

35、負(fù)責(zé)實(shí)行計(jì)算機(jī)和單片機(jī)之間的通信，將在計(jì)算機(jī)里面編寫好的程序下載到單片機(jī)芯片當(dāng)中。數(shù)碼管顯示模塊就主要是顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)向，和通過電機(jī)的電流等系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)模塊主要是檢測(cè)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的電流，然后通過運(yùn)放將檢測(cè)到的信號(hào)放大，最后將放大后的信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0804處理后送給單片機(jī)。獨(dú)立按鍵作為一個(gè)外部中斷源，和單片機(jī)端口連接，通過它設(shè)置了電機(jī)的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速，減速，顯示電機(jī)電流等功能。采用了中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳的及時(shí)的控制。本節(jié)主要是在第一章和第二章的基礎(chǔ)上引出了本論文將要采用的設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)的清楚的一條條列出了設(shè)

36、計(jì)要實(shí)現(xiàn)的基本設(shè)計(jì)要求。然后是基于我的設(shè)計(jì)方案，比較簡(jiǎn)單的但有條理的描述了系統(tǒng)的各個(gè)部分的組成以及其對(duì)應(yīng)的基本功能。通過這一章的內(nèi)容，我們能對(duì)本設(shè)計(jì)有一個(gè)簡(jiǎn)單的總體的把握，既是能清楚的知道本題目的設(shè)計(jì)內(nèi)容，設(shè)計(jì)方法，以及最終的預(yù)期目標(biāo)。4.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)4.2.1 AT89S51簡(jiǎn)介AT89S51是美國(guó)生產(chǎn)的具有低功耗，高性能的CMOS8位的單片機(jī)，片內(nèi)含有4kbytes 的可以系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲(chǔ)器。它的器件所采用的是ATMEL公司高密度，非易失性的存儲(chǔ)技術(shù)來生產(chǎn)的，具有兼容標(biāo)準(zhǔn)的8051指令系統(tǒng)以及引腳12。它集Flash程序存儲(chǔ)器一方面能夠在線編程（ISP）另一方面也可以

37、用傳統(tǒng)的方法來編程和通用的8位的微處理器在單片機(jī)的芯片中，功能非常強(qiáng)大。（1）主要的性能參數(shù)·可以與MCS-51產(chǎn)品的指令系統(tǒng)完全的兼容在一起 ·4k字節(jié)的系統(tǒng)編程（ISP）Flash 閃速存儲(chǔ)器 ·1000 次的擦寫周期 ·工作的電壓范圍是4.0-5.5V ·全靜態(tài)的工作模式：0Hz33MHz ·具有三級(jí)的程序加密鎖 ·128×8字節(jié)的內(nèi)部RAM ·有32個(gè)可以編程的輸入輸出口線 ·有2個(gè)16位的定時(shí)計(jì)數(shù)器 ·有6個(gè)中斷源 ·全雙工的串行的UART 通道 ·空閑功

38、耗非常低以及掉電模式13 ·中斷可以從空閑模式中喚醒系統(tǒng) ·看門狗（WDT）以及具有雙數(shù)據(jù)的指針 ·具有掉電標(biāo)識(shí)以及快速的編程特性 ·在系統(tǒng)中編程是很靈活的（ISP 字節(jié)或著是頁(yè)寫模式）（2）功能特性的概述AT89S51提供以下的標(biāo)準(zhǔn)功能：4k字節(jié)Flash 閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)的內(nèi)部的RAM，32個(gè)IO 口線，看門狗（WDT），兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè)16 位的定時(shí)計(jì)數(shù)器，一個(gè)5 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工的串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89S51 可降至0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU 的工作，

39、但允許RAM，定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM的內(nèi)容，但振蕩器會(huì)停止工作并且禁止其它所有部件的工作一直到下邊的一個(gè)硬件復(fù)位的時(shí)候。（3）引腳的功能說明 圖4-2 AT89S51引腳排列該設(shè)計(jì)使用到的單片機(jī)芯片對(duì)應(yīng)管腳名稱位置等如圖4-2的引腳功能圖詳細(xì)說明。·VCC：電源電壓·GND：地·P0口：P0口是一組具有8位的漏極開路型的雙向I0口，也就是地址數(shù)據(jù)的總線的復(fù)用口。當(dāng)作輸出口時(shí)，每一位能夠驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL的邏輯門電路，對(duì)該端口寫“l(fā)”時(shí)能當(dāng)做高阻抗的輸入端用。當(dāng)數(shù)據(jù)總線的復(fù)用口時(shí)，在訪問的期間會(huì)激活內(nèi)部的上拉電阻。當(dāng)F1ash 編程

40、的時(shí)候，P0口會(huì)接收到指令字節(jié)，而程序校驗(yàn)時(shí)，會(huì)輸出一些指令字節(jié)，當(dāng)校驗(yàn)的時(shí)候，需要外接上拉的電阻。訪問外部的數(shù)據(jù)或程序存儲(chǔ)器的時(shí)候，這組口線會(huì)分時(shí)地轉(zhuǎn)換地址（低8 位）。·P1口：Pl口是一個(gè)帶有內(nèi)部的上拉電阻的8 位雙向的IO 口，P1輸出的緩沖級(jí)能夠驅(qū)動(dòng)（吸收或著輸出電流）4個(gè)TTL的邏輯門電路。對(duì)端口寫“l(fā)”，可以通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，這時(shí)候可以作輸入口。作為輸入口使用的時(shí)候，由于內(nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低的時(shí)候會(huì)輸出一個(gè)電流 （IIL ）。·P2口：P2口是帶內(nèi)部的上拉電阻的8位的雙向IO口，P2口輸出緩沖級(jí)可以驅(qū)動(dòng)（吸收或著輸出電流）4

41、個(gè)TTL的邏輯門電路。對(duì)該端口寫“1”，可以通過內(nèi)部的上拉電阻把對(duì)應(yīng)端口拉到相應(yīng)高電平，這時(shí)候可以作輸入口。當(dāng)作輸入口使用的時(shí)候，由于內(nèi)部有上拉電阻，某個(gè)引腳被外部的信號(hào)拉低的時(shí)候會(huì)輸出電流 （IIL ）。當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或著16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的時(shí)候，P2口會(huì)送出高8 位地址數(shù)據(jù)。當(dāng)訪問8 位地址外部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的時(shí)候，P2上的內(nèi)容在整個(gè)的訪問期間是不會(huì)改變的。Flash 編程或著校驗(yàn)的時(shí)候，P2也會(huì)接收到高位地址以及其它控制信號(hào)的。·P3口：P3口是含有內(nèi)部的上拉電阻8 位雙向的IO口。P3口的輸出緩沖級(jí)能夠驅(qū)動(dòng)（吸收或著輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門的電路。對(duì)P3口寫入“

42、l”的時(shí)候，它們會(huì)被內(nèi)部上拉電阻拉高并可以作為輸入端口。當(dāng)作為輸入端時(shí)，被外部拉低的P3口會(huì)用上拉電阻輸出電流（IIL ）。P3口除了可以作為一般的IO口線之外，更重要的用途是它具有第二功能，如下表所示：P3口還可以接收一些用于Flash 閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。具體功能如表4-1所示表4-1P3口的引腳及功能端口引腳第二功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2INT0（外部中斷0）P3.3INT1（外部中斷1）P3.4T0（定時(shí)/計(jì)數(shù)器0外部輸入）P3.5T1（定時(shí)/計(jì)數(shù)器1外部輸入）P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選

43、通）·RST：RST是復(fù)位信號(hào)輸入端。當(dāng)振蕩器工作的時(shí)候，RST引腳會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平使單片機(jī)復(fù)位。WDT溢出使該引腳輸出高電平，設(shè)置SFR AUXR 的DISRT0 位（地址8EH）可以打開或關(guān)閉該功能。DISRT0 位缺為RESET 輸出高電平打開狀態(tài)。·ALEPROG：地址鎖存允許信號(hào)端。當(dāng)89S51上電正常工作后，ALE引腳不斷向外輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率fOSC的1/6。CPU訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，ALE輸出信號(hào)作為鎖存低8位地址的控制信號(hào)。ALE端的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力為8個(gè)LS型TTL（低功耗甚高速TTL）負(fù)載。此引腳的第二功能PROG在對(duì)片內(nèi)帶有4

44、KB Flash ROM的89S51編程寫入（固化程序）時(shí)，作為編程脈沖輸入端。·PSEN：程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出信號(hào)端。當(dāng)AT89S51由片外程序的存儲(chǔ)器取指令（或常數(shù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效（即輸出2個(gè)脈沖）。但在此期間內(nèi)，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。PSEN的端口同樣可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS型TTL負(fù)載。·EAVPP：外部程序存儲(chǔ)器地址允許輸入端/固化編程電壓輸入端14。當(dāng)EA接高電平的時(shí)候，CPU只能訪問片內(nèi)Flash ROM并且執(zhí)行內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器里的指令；但當(dāng)PC（程序計(jì)數(shù)器）的值超過0FFFH（對(duì)89S51為4KB）時(shí)，將

45、自動(dòng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行片外的程序存儲(chǔ)器里的程序。輸入信號(hào)EA接低電平（接地）時(shí)，CPU只能訪問片外ROM并執(zhí)行片外的程序存儲(chǔ)器里的指令，不管是否會(huì)有片內(nèi)的程序存儲(chǔ)器。然而需要注意的是，如果保密位LB1被編程，則復(fù)位時(shí)在內(nèi)部會(huì)鎖存EA端的狀態(tài)。當(dāng)EA 端保持高電平（接VCC端）時(shí)，CPU則執(zhí)行內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器中的程序。F1ash 存儲(chǔ)器編程的時(shí)候，該引腳加上+12V 的編程電壓Vpp。 ·XTAL2：接外部晶體和微調(diào)電容的一端。在89S51片內(nèi)它是振蕩電路反相放大器的輸出端，振蕩電路的頻率就是晶體的固有頻率。若須采用外部時(shí)鐘電路，則該引腳懸空。要檢查89S51的振蕩電路是否正常工作，可用示波器查

46、看XTAL2端是否有脈沖信號(hào)輸出。·XTAL1：接外部晶體和微調(diào)電容的另一端。在片內(nèi)，它是振蕩電路反相放大器的輸入端。在采用外部時(shí)鐘時(shí)，該引腳輸入外部時(shí)鐘信號(hào)。·存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)：MCS-51單片機(jī)內(nèi)核采用程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間分開的結(jié)構(gòu)，均具64KB外部程序和數(shù)據(jù)的尋址空間。 ·程序存儲(chǔ)器：若EA引腳接地（GND），全部程序都執(zhí)行外部存儲(chǔ)器。在AT89S51中，如果EA 接至Vcc（電源+），程序會(huì)首先執(zhí)行地址從0000H0FFFH（4KB）內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，然后再執(zhí)行地址為1000HFFFFH（60KB）的外部程序存儲(chǔ)器。·數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：AT89S51中的

47、具128字節(jié)的內(nèi)部RAM，這128個(gè)字節(jié)可以利用直接或間接的尋址方式訪問，堆棧操作可以利用間接尋址方式進(jìn)行，128個(gè)字節(jié)均可設(shè)置為堆棧區(qū)空間。（4）晶體振蕩器特性 AT89S51是一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是這個(gè)放大器的輸入端和輸出端。該放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或著陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。它外邊接石英晶體以及電容Cl、C2 接在放大器的反饋回路構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對(duì)外接電容Cl、C2 雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但是電容容量的大小會(huì)輕微影響到振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度以及溫度穩(wěn)定性。如果要使用石英晶體，我們推薦電容

48、使用30pF±10pF，而如果要使用陶瓷諧振器建議選擇40pF±10pF。用戶還可以采用外部時(shí)鐘。在這種情況下，外部時(shí)鐘脈沖會(huì)接到XTAL1端，即內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2就要懸空。因?yàn)橥獠繒r(shí)鐘信號(hào)是通過一個(gè)2分頻觸發(fā)器后當(dāng)作內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)的，所以對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的占空比沒有特殊的要求，但是最小高電平持續(xù)的時(shí)間和最大的低電平持續(xù)的時(shí)間應(yīng)該符合產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。（5）Flash閃速存儲(chǔ)器的并行編程AT89S51單片機(jī)內(nèi)部4k字節(jié)的可快速編程的Flash存儲(chǔ)陣列。編程方法可通過傳統(tǒng)的EPROM編程器使用高電壓（+12V）和協(xié)調(diào)的控制信號(hào)進(jìn)行編程。AT89S51的代碼是逐一

49、字節(jié)進(jìn)行編程的。 編程方法：編程前，必須要設(shè)置好地址、數(shù)據(jù)以及控制信號(hào)，AT89S51 編程方法如下： （1）在地址線上加上需要編程單元的地址信號(hào)。（2）在數(shù)據(jù)線上加上需要寫入的數(shù)據(jù)字節(jié)。（3）激活相應(yīng)的控制信號(hào)。（4）在EAVpp 端加上+12V的編程電壓。（5）每對(duì)Flash 存儲(chǔ)陣列要寫入一個(gè)字節(jié)或每寫入一個(gè)程序加密位，需要加上一個(gè)ALEPROG編程脈沖。每個(gè)字節(jié)寫入的周期都是自身定時(shí)的，大多數(shù)約是50us。然后改變編程單元的地址和寫入的數(shù)據(jù)，重復(fù)15 步驟，最后直到全部文件編程結(jié)束。4.2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用AT89S51單片機(jī)構(gòu)成了控制系統(tǒng)的核心，其基本模塊就主要包括復(fù)位電路

50、和晶體震蕩電路。在本設(shè)計(jì)當(dāng)中，單片機(jī)的P 0口、P 1口、P 2口、P 3口全部參與系統(tǒng)工作，單片機(jī)最小系統(tǒng)的接線如圖4-3所示：圖4-3單片機(jī)最小系統(tǒng)圖4.2.3 單片機(jī)端口分配及功能（1）其中P0口用于控制數(shù)碼管的具體顯示功能，既是數(shù)碼管的段選。（2）P1口主要用于控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298的工作，以及ADC0804芯片的編程的讀寫控制。（3）P2口主要用于控制數(shù)碼管的公共端，既是數(shù)碼管的位選。與此同時(shí)還處理鍵盤掃描電路。（4）P3口主要用于負(fù)責(zé)處理ADC0804的模數(shù)轉(zhuǎn)化芯片的工作。4.3 串口通信模塊本設(shè)計(jì)采用串口通信，來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的通信。其具體的電路圖如圖4-4所示。圖4-4串

51、口通信模塊4.4 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的顯示部分可以用液晶顯示的方案可供選擇，液晶顯示和數(shù)碼管顯示的區(qū)別主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：數(shù)碼管顯示內(nèi)容單一，而液晶顯示器顯示內(nèi)容豐富，因?yàn)橐壕б话愣际瞧叨伟俗值闹荒茱@示單一的內(nèi)容，而液晶顯示的內(nèi)容就很豐富；數(shù)碼管還比液晶顯示耗電，而且使用液晶也比使用數(shù)碼管顯得美觀。但是控制液晶顯示器的時(shí)候占用的系統(tǒng)資源多，編程更復(fù)雜，最關(guān)鍵的是液晶顯示的成本是數(shù)碼管的幾十倍，所以考慮到應(yīng)用價(jià)值，最終還是確定選用數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的顯示部分功能。4.4.1 共陽(yáng)數(shù)碼管簡(jiǎn)介四位共陽(yáng)數(shù)碼管的管腳分配如下圖4-5所示：圖4-5四位共陽(yáng)數(shù)碼管管腳定義數(shù)碼管的管腳排列：從數(shù)碼管的

52、正面觀看，左下角的那個(gè)腳為1腳，從1腳開始，按照逆時(shí)針方向排列依次是1腳到12腳，其中12、9、8、6為公共角，為位選信號(hào)輸入端。剩余的八個(gè)腳是段選信號(hào)輸入端，其對(duì)應(yīng)方式是A-11、B-7、C-4、D-2、E-1、F-10、G-5、DP-3。只有詳細(xì)的了解了數(shù)碼管的管腳定義，以及段選位選情況，我們才能通過編程對(duì)其正常的顯示進(jìn)行很好的控制。在本設(shè)計(jì)當(dāng)中采用了數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描的方式進(jìn)行顯示，下面我們對(duì)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示作一詳細(xì)介紹。數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示界面是單片機(jī)中應(yīng)用最廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)就是將所有的數(shù)碼管中的8個(gè)需要顯示的筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp "的同名

53、端連在一起，并且為每個(gè)數(shù)碼管的公共極COM都增加位元選通控制電路，位元選通是由各自獨(dú)立的I/O線控制，在單片機(jī)輸出字形碼的時(shí)候，所有數(shù)碼管都會(huì)接收到相同的字形碼，但是，究竟是哪個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，這取決于單片機(jī)對(duì)位元選通COM端電路的控制，因此我們只需要將要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，這個(gè)位元就會(huì)顯示，沒有選通的數(shù)碼管是不會(huì)亮的。經(jīng)過分時(shí)輪流地控制各個(gè)LED數(shù)碼管的COM端，就會(huì)使每個(gè)數(shù)碼管輪流的受控顯示，這就是所謂的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在這個(gè)輪流顯示的過程中，每位元數(shù)碼管點(diǎn)亮的時(shí)間是12ms，因?yàn)槿艘曈X的暫留現(xiàn)象和發(fā)光二極管余輝效應(yīng)，雖然各位數(shù)碼管不是同時(shí)點(diǎn)亮的，但是如果掃描速度很快，人們也會(huì)感覺到

54、一組很穩(wěn)定的顯示資料，不會(huì)出現(xiàn)閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示和靜態(tài)顯示效果都是一樣的，能夠節(jié)省很多的I/O口，并且功耗更低18。4.4.2 共陽(yáng)數(shù)碼管電路圖本設(shè)計(jì)選用了數(shù)碼管顯示設(shè)計(jì)，其段選的控制A、B、C、D、E、F、G、DP按照數(shù)碼管的簡(jiǎn)介資料選用了P 0口作為其控制端口，其位選部分由于單片機(jī)的控制端口輸出的電壓不足以直接點(diǎn)亮數(shù)碼管，所以在單片機(jī)控制端口和數(shù)碼管的位選控制端口加入了三極管，其具體的電路連接如圖4-6所示。圖4-6 數(shù)碼管顯示電路4.5 驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)芯片電流檢測(cè)模塊的實(shí)際應(yīng)用意義在于檢測(cè)流過電機(jī)的電流值并及時(shí)顯示，對(duì)于防止電機(jī)過流而損壞電機(jī)有一定的意義。從上面的L298

55、的芯片資料當(dāng)中我們可以知道L298的Pin1和Pin15可與電流偵測(cè)電阻連接來偵測(cè)電機(jī)正常工作的情況下的工作電流。一般檢測(cè)電流的方法是通過檢測(cè)電壓值，然后通過歐姆定律換算電流值的方法測(cè)試電流，本設(shè)計(jì)也不例外。設(shè)計(jì)采用的42BYG101反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其額定電流值0.2安，在加上一般常用的電流偵測(cè)電阻都是1歐姆或0.1歐姆，這樣換算來檢測(cè)到的電壓值一般是在mV級(jí)，這樣以來，要是直接將檢測(cè)到的電壓值送給ADC0804進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換那么由于精度的原因勢(shì)必會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性造成很大的影響。所以考慮到這一原因我們是先將檢測(cè)到的電流值經(jīng)過OP07作放大處理后再將信號(hào)送給模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片處理這樣保證了檢測(cè)值的可靠性。ADC0804輸出的數(shù)字信號(hào)再送給單片機(jī)的P3口，經(jīng)過單片機(jī)處理后最后將檢測(cè)到的數(shù)字信號(hào)通過數(shù)碼管顯示出來。而在顯示這一部分有這樣一個(gè)問題，就是步進(jìn)電機(jī)的工作電流不是一個(gè)恒定值，它是隨著時(shí)間的變化，會(huì)在一個(gè)小范圍內(nèi)不停的波動(dòng)